圆及椭圆轨道释放绳系子星的方法研究

研究绳系卫星系统质心沿椭圆轨道运动时，子星释放的最佳初始条件，运用变量替代简化动力学控制方程；对圆轨道运动的母星，采用轨道转移方法释放子星，计算弹射变轨参数及过渡轨道终了真近点角。本文取消母星质量远大于子星质量的假设，考虑子星释放过程中绳系卫星系统质心随子星运动的变化，所得结果更具有普遍意义。数值模拟结果表明，所述方法的有效性。     

航天器轨道交会迭代制导算法

针对航天器轨道交会的脉冲推力模型与实际发动机连续推力模型不相符的问题,研究一种脉冲变轨策略的工程实现方法,使脉冲变轨策略可应用于工程实际.基于Lambert飞行时间定理和遗传算法,研究航天器最优脉冲变轨策略.根据脉冲变轨优化的结果,采用迭代制导算法研究脉冲变轨工程化问题.仿真结果验证了迭代制导算法在航天器轨道交会中的有效性.     

基于引导型人工免疫算法的最优Lambert变轨

主要研究了燃料最省的Lambert双脉冲变轨问题.首先对普适变量法进行改进以避免奇异,并将其用于Lambert双脉冲变轨问题的求解.然后针对只给定初始时刻追踪航天器和目标航天器的轨道要素及总时间约束的交会问题,引入调相时间的概念,并将其和转移时间作为Lambert变轨的优化变量.最后采用引导型人工免疫算法GAIA(Guiding Artificial Im-mune Algorithm)对该优化问题进行寻优.仿真算例表明,与自适应遗传算法AGA(Adaptive Ge-netic Algorithm)相比,GAIA具有更强的寻优能力和更快的寻优速度,从而验证了GAIA用于最优Lambert变轨的有效性.     

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法--基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段：真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到“巡航+滑行+巡航+滑行”的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。     

应急轨道机动变轨方案快速设计算法

为了满足应急轨道机动过程中测控约束和时间、燃料资源等各方面的要求 ,提出了一种变轨方案快速设计算法.给出了适用于变量搜索的轨道机动变轨模式,将变轨 方案快速设计问题转化成了约束优化问题;建立了完整的测控约束数学模型和对测控约束的 处理算法;然后利用遗传算法搜索出了同时满足测控约束条件和优化目标的变轨方案.算例 表明,利用此算法设计得到的变轨方案,能够满足应急轨道机动任务的需要.      

一种无奇异的求解Lambert变轨的普适变量法

传统的普适变量法求解Lambert转移轨道的变轨点速度时,在两位置矢量夹角为180°处出现奇异,且用牛顿迭代法求解普适变量会丢失部分重要的解.通过公式变换消除奇异项而推导出一种无奇异的速度求解公式;且根据转移轨道的圈数对普适变量的取值范围进行分段,在每个区间用人工免疫算法AIA(Artificial Immune Algorithm)搜索普适变量正确解,解出所有Lambert转移轨道并从中选择最优转移轨道.仿真算例表明:这种改进的普适变量法能有效避免传统普适变量法的奇异性,而且能求得所有的Lambert转移轨道并得到燃料消耗最优的转移轨道.     

基于自适应模拟退火遗传算法的最优Lambert转移

主要研究了航天器采用Lambert二脉冲变轨的优化问题。对于初始位置、目标位置和转移时间都不固定的Lambert二脉冲转移,由于多变量以及方程本身的复杂性,采用传统的优化方法效率低甚至无法求解.采用了自适应遗传算法(AGA),寻求多变量的最优解.同时结合模拟退火算法,得到了自适应模拟退火遗传算法(ASAGA),该算法既具有全局搜索能力,又改善了一般遗传算法的局部寻优能力.通过仿真,比较了遗传算法和自适应模拟退火遗传算法的寻优结果,表明两者寻求最优转移的有效性,以及自适应模拟退火算法具有更强的寻优能力.      

基于粒子群算法优化双脉冲绕飞问题

以Hill方程为基础对圆轨道近距离双脉冲绕飞优化问题进行研究.首先给出双脉冲绕飞的优化模型并推导分析得出待优化的变量,同时构造了燃耗和时间加权的性能指标函数并考虑安全约束,然后设计了粒子群优化算法对绕飞过程进行优化,最后通过对-V-bar到＋V-bar、＋ R-bar、＋H-bar的绕飞进行仿真获得燃耗和时间加权最优的安全绕飞轨迹,与遍历寻优结果一致,由此验证了粒子群优化算法的有效性.     

附加深空机动的借力飞行全局优化

借力飞行轨道设计是一个多变量强约束的非线性优化问题, 初始方案通常采用不需要初值猜测的全局优化算法进行优化, 但是借力点处的C3匹配原则等较强的约束条件极大影响了全局算法的收敛性能. 针对这一问题, 研究了附加深空机动的借力飞行模型, 在借力点处引入B平面和辅助转角, 推导了离开超越速度的解析表达式, 通过求解Lambert问题和轨道递推得到日心转移段的深空机动脉冲. 利用微分进化算法对问题进行优化, 结合木星探测算例, 对VEE (Venus-Earth-Earth), VEME (Venus-Earth-Mars-Earth)和VEVE (Venus-Earth-Venus-Earth)三种深空机动借力飞行方案进行优化, 给出了优化结果.      

气动辅助异面变轨在多碎片清除中的应用分析

碎片清除飞行器异面变轨需要消耗大量燃料.从气动辅助异面变轨优化设计及被清除碎片轨道高度差值、倾角差值等参数对变轨性能的影响出发,比较分析了优化气动辅助异面变轨与双脉冲霍曼轨道转移的燃料节约量,研究了不同轨道高度差对于实施气动辅助变轨燃料节约量的影响.当地球静止轨道（GEO）与低地轨道（LEO）间气动辅助变轨优化速度增量约为1.55km·s-1、质量面积比172kg·m-2、比冲310s、轨道倾角变化16°时,燃料节约率约为45%.对比研究了不同轨道高度差LEO轨道间实施气动辅助变轨的燃料节约情况.结果表明:随着轨道高度的增加,气动辅助优化效率逐渐降低;在相同高度轨道间实施异面变轨,随着轨道倾角的增加,气动辅助变轨燃料节约率先增大后减小,倾角改变量约为20°时,燃料节约率最大;当轨道倾角为5°时,采用气动辅助变轨和双脉冲变轨的燃料消耗量相同.      

太阳帆航天器行星际轨道转移优化算法

研究基于遗传算法的太阳帆行星际转移轨道的全局优化问题.通过极小值原理推导了太阳帆全局优化控制律,并以太阳帆飞行时间最短为优化目标函数,运用遗传算法对发射时间、到达时间和协态变量初值进行参数优化设计.为了解决轨道转移这一多约束优化问题,在遗传算法中加入动态罚函数.在此理论基础上作了从地球同步轨道出发到火星同步轨道转移和从地球出发与火星交会两个算例,仿真结果表明了该方法在太阳帆转移轨道全局优化中的有效性.     

引入多Agent协商的协同优化在卫星设计中的应用

卫星设计是复杂的多学科优化问题,协同优化算法具有模块化特点适合于处理多学科优化问题。在对卫星进行多学科优化时发现,现有的协同优化算法为了保证共享变量在系统级和分系统级间的一致性,收敛困难,计算量大,不对分系统自身进行优化不能保证卫星整体性能最优。本文通过引入Agent概念和基于Agent的协商算法,提出了一种基于劝说式多Agent协商的协同优化设计算法。针对对地观测卫星,以总质量最小为目标,建立了包含结构、轨道控制、姿态控制和电源4个分系统Agent和1个系统级Agent的卫星优化设计模型并进行了协同优化设计。研究结果表明:引入Agent协商算法的协同优化算法,可以保证共享变量的一致性;在协同优化算法中增加分系统自身优化模块,可以保证在系统级优化过程中各分系统一直都是最优的。      

基于多岛遗传算法的二维翼型吸气减阻优化

针对吸气减阻技术吸气质量较大的缺点,采用多岛遗传算法与计算流体力学(CFD)相结合的方法,对吸气减阻技术进行了优化.数值计算采用E387二维翼型,将吸气开口位置和吸气质量通量作为优化参数,通过寻找上翼面最佳的吸气开口位置,使翼型阻力和吸气质量最小.结果表明:多岛遗传算法能够有效地优化吸气开口位置和吸气质量;当吸气开口位于最佳位置时,吸气质量达到了寻优区间下限,而翼型减阻效果可达8.3%;吸气没有延缓流动转捩的发生,翼型阻力减小的原因主要是由于压差阻力的减小.      

飞向晕轨道的探测器轨道优化

晕轨道的稳定流形为从地球到晕轨道的转移轨道设计提供了便利．以往都采用在晕轨道上的目标点施加脉冲,这样,稳定流形只是为转移轨道的设计提供一个初始猜想,探测器并没有运行在稳定流形上,因而并未真正利用稳定流形节省燃料的优势．利用基于序优化理论的微分修正法,研究从晕轨道近地点稳定流形上不同点进入稳定流形所需要的燃料消耗,寻找燃耗最少的转移轨道．仿真表明,对于晕轨道近地点入轨,找到的稳定流形射入点机动比以往的晕轨道入轨点机动节省约33％的燃料消耗．此外,还对晕轨道上不同入轨点的入轨代价进行了研究,得到了晕轨道近地点入轨的最小燃耗解．     

超临界层流翼型优化设计策略

针对超临界层流翼型设计问题,提出一种两轮优化策略。采用γ-Reθt转捩模型耦合剪切应力输运(SST)模式的湍流模型对翼型边界层转捩进行预测。翼型几何参数化建模采用形状分类函数转换(CST)方法,设计变量为描述翼型几何特征的参数。第1轮优化的目的是尽量提高层流区域的比例,气动分析模型为基于Kriging模型的代理模型,优化算法为遗传算法,通过优化获得满足约束要求的层流翼型。第2轮优化目的是对第1轮优化获得的翼型进行微调,进一步提高翼型的升阻比,气动分析直接采用CFD程序,优化算法采用基于梯度的优化算法。算例表明,应用本文提出的两轮优化策略,可将超临界翼型NASA SC(2)0412优化设计成超临界层流翼型,翼型的上下表面层流区比例分别达到了55.5%和47.0%,升阻比提高了38.1%。     

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题，首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法，考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况，选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标，建立了轨位优化模型，并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析；然后，基于在轨备份星轨位的优化结果，建立在轨备份星替换的轨道机动模型，并综合考虑速度增量和替换时间，确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明，提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求，增强导航星座的服务性能，实现故障卫星的快速替换，可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

基于蚁群算法和Powell法的Lambert转移

研究了两次脉冲时刻均不固定的Lambert轨道转移的优化问题,目标是找到施加两次脉冲的最优时刻,使燃料和转移时间的加权和最小.鉴于传统的优化算法难以获得该优化问题的全局最优解,提出了一种蚁群算法和Powell法相结合的优化算法,给出了算法的设计步骤.该算法结合了蚁群算法的全局搜索能力和Powell法的局部寻优能力,在保证全局搜索能力的同时,提高了算法的局部寻优能力和精度,减少了寻优时间.通过两个算例验证了这种结合的有效性和准确性.     

Optimal two-impulse rendezvous with terminal tangent burn considering the trajectory constraints

The two-impulse orbital rendezvous problem with a terminal tangent burn between coplanar elliptical orbits is studied by considering a lower bound on perigee radius and an upper bound on apogee radius for the transfer orbit. This problem requires that two spacecraft arrive at the rendezvous point with the same arrival flight-path angle after the same flight time. The admissible range of the final true anomaly that meets the perigee and apogee constraints is obtained in closed form. The revolution number of the transfer orbit is expressed as a function of the true anomaly and the revolution numbers of the initial and final orbits. All the feasible solutions are obtained with a bound on the revolution number of the final orbit. Then, the minimum-fuel one is determined by comparing their costs. Finally, two numerical examples are provided to obtain all the feasible solutions for given initial impulse points and the optimal solution with the initial coasting arc. Numerical results show that the minimum-fuel solution for the terminal tangent burn rendezvous is close to that for the cotangent rendezvous when the rendezvous time is long enough; however, the cotangent rendezvous may not exist when the rendezvous time is short.     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景，针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题，开展了化学 电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先，讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明，在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后，以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格，得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道，构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算，电推进段采用混合法优化。最后，以燃料消耗和转移时间为指标，在搜索域内开展解算分析，研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集，拓宽了解空间，可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

日地平动点卫星两脉冲转移轨道设计

研究基于最小二乘微分修正方法的平动点卫星两脉冲转移轨道设计,推导了考虑高度和航迹角约束的微分修正公式,讨论了该方法的收敛性.以日地L₁点附近的Halo轨道为目标轨道,在圆型限制性三体问题模型下设计了其转移轨道,系统地研究了HOI(Halo Orbit Insertion)点和Halo轨道幅值对转移轨道的影响,给出了HOI点的选择策略,并讨论了应急情况下快速转移轨道设计.数值仿真验证了方法的有效性,选择Halo轨道靠近地球侧的点作HOI点可以获得飞行时间适中的转移轨道.